Nobel per la fisica 2018 per le applicazioni con i raggi laser

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Il Nobel 2018 alle scoperte che hanno rivoluzionato la fisica dei laser. L’Accademia Reale di Svezia ha assegnato il Nobel per la fisica ad Arthur Ashkin, Gérard Mourou e Donna Strickland “per le loro rivoluzionarie invenzioni nel campo della fisica dei laser”, che hanno portato allo sviluppo di numerose applicazioni industriali e mediche.

L’Accademia Reale di Svezia ha deciso di assegnare il Nobel per la fisica di quest’anno “per le loro rivoluzionarie invenzioni del campo della fisica dei laser” per prima metà allo statunitense Arthur Ashkin, (“per le pinzette ottiche e la loro applicazione a sistemi biologici”) e per l’altra metà congiuntamente al francese Gérard Mourou e alla canadese Donna Strickland “per il loro metodo di generazione di impulsi ottici ad alta intensità e ultracorti”.

Protagonista di quest’anno è dunque il laser, una tecnologia talmente diffusa da essere entrata nelle nostre vite quotidiane. I laser ha avuto uno sviluppo tecnologico senza pari, almeno per quanto riguarda l’estrema varietà delle applicazioni, certo difficilmente immaginabile quando negli anni cinquanta, iniziarono i primi esperimenti di Charles H. Townes con il maser, il progenitore del laser (già nel 1964, Townes fu insignito del premio Nobel per questa scoperta).

Arthur Ashkin, nato a New York nel 1922, si è laureato alla Columbia University della stessa città per poi conseguire il PhD alla Cornell University. Ha poi condotto le sue ricerche presso i Bell Laboratories. Gérard Mourou, classe 1944, è nato ad Albertville, in Francia. Laureato in fisica all’Università di Grenoble nel 1967, ha conseguito il dottorato all’Ecole polytechnique di Parigi. Ha svolto le sue ricerche nella stessa università parigina, all’Università dellaCalifornia aSan Diego, all’Università di Rochester, e all’Università del Michigan ad Ann Arbor. Donna Strickland è nata a Guelph, in Ontario, Canada. Si è laureata in ingegneria fisica presso la McMaster University per poi conseguire il PhD all’ Università di Rochester, nel 1989.
Arthur Ashkin, nato a New York nel 1922, si è laureato alla Columbia University della stessa città per poi conseguire il PhD alla Cornell University. Ha poi condotto le sue ricerche presso i Bell Laboratories. Gérard Mourou, classe 1944, è nato ad Albertville, in Francia. Laureato in fisica all’Università di Grenoble nel 1967, ha conseguito il dottorato all’Ecole polytechnique di Parigi. Ha svolto le sue ricerche nella stessa università parigina, all’Università dellaCalifornia aSan Diego, all’Università di Rochester, e all’Università del Michigan ad Ann Arbor.
Donna Strickland è nata a Guelph, in Ontario, Canada. Si è laureata in ingegneria fisica presso la McMaster University per poi conseguire il PhD all’ Università di Rochester, nel 1989.

I laser sono usati infatti per la lettura dei codici a barre o delle tracce di un DVD, per misurare le distanze, per indicare un punto preciso molto distante o per trasportare dati all’interno di una fibra ottica. O ancora, per incidere un tessuto biologico in un’operazione chirurgica, in cui occorre grande precisione e massima delicatezza, ma anche per tagliare lastre di acciaio, operazione in cui oltre che precisione occorre anche grande potenza.

Queste diverse declinazioni del laser hanno in comune una manciata di caratteristiche fisiche. Si tratta ovviamente di un fascio di luce, ma molto diverso da quello di una lampadina. Il fascio è unidirezionale e molto ben collimato, cioè sottilissimo alla vista, e nella maggior parte dei casi monocromatico. Queste caratteristiche derivano essenzialmente dal fatto che il laser è composto da onde coerenti temporalmente (ogni onda conserva nel tempo la stessa fase) e spazialmente (se si prendono due punti in una sezione trasversale del fascio, la loro differenza di fase è costante).

Illustrazione del processo di chirping dell'impulso laser, inventato nel 1985 da Gérard Mourou e Donna Strickland- (Credit: J.Jarnerstad/Royal Swedish Academy of Sciences)
Illustrazione del processo di chirping dell’impulso laser, inventato nel 1985 da Gérard Mourou e Donna Strickland- (Credit: J.Jarnerstad/Royal Swedish Academy of Sciences)

La monocromaticità è il punto di partenza per il trasporto di informazioni tramite il fascio laser, come nelle fibre ottiche, mentre l’unidirezionalità e la coerenza sono la basi per concentrare l’energia del fascio in un tempo piccolissimo e in uno spazio estremamente limitato.

Ma questi sono gli esiti ultimi di un progresso pluridecennale. Il laser è stato sviluppato negli anni cinquanta e sessanta. E già all’alba del decennio successivo, Arthur Ashkin ha posto una pietra miliare per le sue successive applicazioni. In un pionieristico articolo del 1970, il fisico ha dimostrato che un fascio laser, così ben concentrato, poteva esercitare una forza ottica sufficiente a spostare particelle di materiale isolante. Inoltre, per particolari distribuzioni dell’intensità del fascio laser dal centro verso i bordi, chiamato laser di modo gaussiano, si creava un effetto che trascinava alcuni tipi di particelle, attratte verso il centro del fascio stesso. E mettendo due laser uno di fronte all’altro, era possibile ottenere trappole tridimensionali in grado di bloccare le particelle in una posizione fissa.

Lo sviluppo successivo, datato 1986, ha dimostrato che per realizzare una trappola tridimensionale, bastava un singolo fascio laser, purché fosse indirizzato su una lente di forma opportuna. Originariamente conosciuta come trappola ottica a gradiente di forza a singolo fascio, è poi diventata famosa con il nome di pinzetta ottica. Originariamente, Ashkin aveva dimostrato che il metodo era adatto a intrappolare particelle di materiale isolante, di dimensioni comprese tra poche decine di nanometri (miliardesimi di metro) a decine di micrometri (milionesimi di metro) disperse in acqua. Ma presto si è pensato che a essere intrappolati potevano essere anche e cellule viventi, oppure virus e batteri, o altri sistemi biologici. Oppure atomi, dopo opportuno raffreddamento, secondo un’applicazione che nel 1997 è valsa il Nobel per la fisica allo statunitense Steven Chu.

La pinzetta ottica è ora uno strumento molto usato nella fisica biologica, e continua a trovare nuove applicazioni, perché la manipolazione può arrivare a livello delle molecole. Di particolare interesse è l’applicazione ai motori molecolari, che convertono l’energia chimica in moto lineare e rotatorio a livello microscopico.

Il processo completo che regola il funzionamento del laser CPA. Credit: J.Jarnerstad/Royal Swedish Academy of Sciences)
Il processo completo che regola il funzionamento del laser CPA. Credit: J.Jarnerstad/Royal Swedish Academy of Sciences)

Tutto questo è stato ottenuto da Ashkin e da molti altri con fasci laser continui, ma che cosa succede se si fa funzionare un laser per un istante infinitesimo di tempo, cioè a impulsi? Si apre un altro mondo, non meno fecondo di conoscenze e applicazioni, perché si ottiene una potenza elevatissima (l’energia prodotta per unità di tempo) senza dover necessariamente avere a disposizione un’enorme energia. Storicamente, si è trattato di una via in qualche modo obbligata. Negli anni sessanta infatti, una serie di progressi tecnologici hanno portato la potenza del laser appena nato fino alla soglia del miliardo di watt. Nei due decenni successivi circa, l’aumento ulteriore di potenza è stato precluso da problemi tecnici, come il danneggiamento dei componenti del laser e il peggioramento della qualità del fascio.

La svolta è avvenuta nel 1985, quando Gérard Mourou e Donna Strickland hanno messo a punto la tecnica nota come chirped pulse amplification (CPA), derivata dai radar. Cuore della nuova metodica era il processo di chirping, in cui un impulso ultra-breve viene prima “stirato” nel tempo di diversi ordini di grandezza, in modo che la sua potenza di picco ne risulti fortemente ridotta, e poi viene amplificato con tecniche standard in un laser, senza danneggiarlo. In seguito, il segnale viene ricompresso nel tempo fino alla sua durata originaria, fornendo una potenza di picco molto elevata, utile per tante applicazioni.La CPA ha rivoluzionato la fisica del laser, diventando presto uno standard per tutti i successivi laser ad alta intensità e aprendo la strada a innumerevoli applicazioni, dalla fisica alla chimica, per arrivare alla medicina. Tra le più rilevanti, si possono citare le ricerche nel campo della fisica delle alte energie, della fisica dei plasmi e di quella degli stati estremi della materia, e infine della fusione nucleare.

La CPA è in un certo senso la videocamera più veloce che si possa puntare su micro e nanomondo. A livello atomico e molecolare, infatti, i processi avvengono così velocemente che è possibile descrivere solo il prima e il dopo. Con un impulso laser che dura un femtosecondo – un milionesimo di miliardesimo di secondo – è possibile invece sondare che cosa succede durante.

Scala dei tempi ultra-brevi: le reazioni chimiche (all'estrema sinistra) si svolgono in tempi dell'ordine dei microsecondi; i processi della microelettronica in nano secondi, le vibrazioni molecolari in picosecondi, la fotosintesi in femtosecondi, i moti degli elettroni in attosecondi.
Scala dei tempi ultra-brevi: le reazioni chimiche (all’estrema sinistra) si svolgono in tempi dell’ordine dei microsecondi; i processi della microelettronica in nano secondi, le vibrazioni molecolari in picosecondi, la fotosintesi in femtosecondi, i moti degli elettroni in attosecondi.

Anche l’intensità dell’impulso diventa uno strumento prezioso. Quando è estremamente elevata, rende la luce laser uno strumento per cambiare le proprietà della materia, per esempio trasformando un materiale isolante in un conduttore. Oppure per fare un foro incredibilmente piccolo e preciso in un materiale, anche in un tessuto biologico.

E la corsa all’ultra-veloce e all’incredibilmente intenso non accenna ad arrestarsi. Presto si arriverà alla soglia dell’attosecondo (miliardesimo di miliardesimo di secondo) e alle decine di petawatt (milioni di miliardi di watt), come nel caso dell’Extreme Light Infrastructure (ELI), un progetto europeo, in costruzione in Repubblica Ceca, Ungheria e Romania, il cui completamento è previsto per gli anni 2020.

Una tesi di Laurea su L’opera di ricostruzione della fisica italiana del Novecento

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